2008年5月31日 星期六

電羅經 (Gyro Compass)

http://4rdp.blogspot.com/2008/05/gyro-compass.html

船用電羅經及自動導航系統 (Marine Gyro Compass And Autopilot) 中華民國海事學會印行 廖中山編著

廖教授是我讀大學時的導師也是羅經學的老師,他已經過逝好久了,晚年成立外獨會推廣台獨運動,是一位值得尊敬的長者。

電羅經 (Gyro Compass) 是現代航行 (Navigation) 最重要的指向儀器,無論太空航行、空中航行或海上航行都少不了它,其原理都是根據旋轉儀 (Gyroscope) 發展而成。

旋轉儀有轉輪、內環及外環,三者相互垂直並能自由轉動,一但轉輪高速旋轉後,由於旋轉儀的轉輪慣性,會使轉輪的軸心始終指著一固定方向。如下圖所示,假設在地球赤道上有一旋轉儀,從南極方向觀察地球,會發現無論地球如何自轉,旋轉儀的軸心始終指向右邊,但是在地球表面觀察,會發現軸心在 00 點向右,06 點向上,12點向左,18點向下。



這樣太空航行時,就可以慣性導航。可是在地球航行,我們需要的是指北或指南的設備,因此修改旋轉儀讓它的轉軸能夠尋北及定北。如下圖所示,在轉軸下方放一重物,利用重力產生力矩偏移轉軸尋北,這稱為底重效應。當然也可以反過來在上方放重物,用頂重效應產生力矩,不過轉輪旋轉方向必須要反過來。一般船舶速度不快,重力尋北即可符合需求,但是飛機或太空梭等飛行器,則必須用其他機制尋北。



最後,出個題目給樂高玩家動動腦,利用積木組件做出一個旋轉儀,然後加上重力尋北裝置,讓它成為一個電羅經,這是一個難度極高的任務,連我也還想不出辦法!

想做出旋轉儀,必須增加轉動慣性,有幾個方式可以試看看:
一、提高馬達轉速,
二、增加轉輪質量,
三、增加轉輪半徑,並將重量配置於轉輪邊緣部份。

像地球也是一個大型旋轉儀,雖然轉得很慢,一天一轉,但是地球質量極大,所以有足夠轉動慣量,維持地軸傾斜。

NXT 馬達轉速不高約 120 rpm,並且形狀與轉軸不對稱,這是一個超級任務,如果有網友能做出來,請分享給大家知道 :)

18 則留言:

  1. 這個原理以前在台北市植物園教育部科學博物館展覽多年,參觀人可坐上實驗台感受角動量實質作用,同地還有佛科擺,重力加速度等多項物理實驗台。

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  2. Hi Chih Yuan,

    謝謝您提供的資訊,看來寒假可以帶小朋友去看看。^_^

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  3. 您好,我最近也在做手機上面的sensor的研究,涉及到compass的內容,api返回的5個量, X Y Z Angle D,Angle表面上來講就是北極方向的bearing,但是其他幾個量完全不知道怎麽回事,您有這方面的經驗和提示嗎?

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  4. 3606 您好,

    我還沒用過 compass IC 設計產品,如果您能提供該 IC 的 Datasheet 及 Application Note 我可以幫你看看。

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  5. 。。。抱歉實在是沒有辦法提供,我使用的是HTC的compass部件,htc只有HD2有compass而且還沒有公布api,我是改的別人的api。。。我就網上搜索的絕望了所以投石問路一下。謝謝啦

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  6. 3606 您好,

    如果您還需我幫忙,可以提供你手上任何資料,看能不能找出一些線索。

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  7. Bridan大師:請問可否方便給予您的email?由於有些設計上的問題,想直接和您討論。我的email是master.yrhsieh@msa.hinet.net。

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  8. 薛老師

    我已經發電郵給您,歡迎您來信討論。

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  9. 你好:
    要達到尋北功能,[重力]是否要偏西?
    下面這個是否可以?
    http://www.youtube.com/watch?v=NQSYERWASE4&feature=related

    因急需製成尋北陀螺的資訊

    感恩

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  10. 小樓您好,

    利用重力尋北的重點在產生的力矩須作用在旋轉的轉軸上,我部落格第二張圖顯示轉軸向右上方翹,轉軸下方重物會因地心引力產生力矩把轉軸下壓,因此這個轉軸會產生向左偏移動作,直到轉軸水平平衡,不會產生力矩為止。

    從您提供的影片,我的功力還無法直接看出轉軸與重力力矩(方向棒)之間的關聯,如果它們之間是有關連,這樣是可以尋北的。

    值得注意,影片作者把方向棒放在右邊與他的旋盤方向是有相關的。

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  11. Bridan大大
    非常感謝你回覆
    小弟對文中還是有些意思不懂....

    1.
    增加轉輪半徑,並將[重量]配置於[轉輪邊緣]部份。
    2.
    [轉軸下方]重物會因地心引力產生力矩把轉軸下壓,因此這個轉軸會產生向左偏移動作,直到轉軸水平平衡,不會產生力矩為止。
    ..................
    這兩者有何差別?
    [重量]以何計算?
    那如果只用2軸陀螺...
    強迫水平(x.y)與其z軸垂直可否達到??
    如動畫後半段
    http://www.youtube.com/watch?v=jWhDc_dWS8E&feature=related

    不好意思一直打擾!感恩

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  12. 小樓您好,

    關於您的問題說明如下:
    一、增加轉輪半徑,就是把東西做的越大越好。並將[重量]配置於[轉輪邊緣]部份,你提供的第二支影片就有清楚的圖片,轉輪邊緣是不是比中間厚實。
    二、部落格中第二張圖[轉軸下方]重物,是以剛體固定,像是鐘擺的東西,受地心引力會把轉軸下壓,最後成為水平的狀態。
    三、兩軸陀螺,它是無法自動尋北的,你必須先將轉軸方向定好,那麼轉軸就可以一直固定指向。
    四、您有提到兩個小問題,這兩者有何差別?指那兩樣東西?因為題意不明無法給你答覆,請見諒。[重量]以何計算?個人認知是,只要有質量的東西就有重量,可用磅秤量測。

    我喜歡探討知識,知性的交流感覺很好,歡迎您提問討論,未來也可以提供後人參考。^_^

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  13. Bridan大大
    原指[兩個問題]就是我前面提出的2個問題,我誤會成兩者的[重量]是指同一東西了
    ,謝謝!

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  14. 小樓您好,

    很高興你能弄清楚轉輪與下方重物的差異,基本上轉輪的轉動慣量越大慣性就越大,請參考維基百科 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%BD%89%E5%8B%95%E6%85%A3%E9%87%8F,這就是為什麼要將轉輪設計成輪胎狀旁邊厚厚的。

    不過要注意轉動慣量不要設計過大,以免下方重物的力矩不足,無法產生適當偏移將轉軸指北。

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  15. Bridan大大你好!
    又來打擾,不好意思~
    最近在網上搜到一篇相關文章
    http://ftp.coscoqmc.com.cn/Nclass/hhx/class/YIQI/gyrotheory/gyro1_4.htm
    因對有關重力力矩公式不懂
    特來請教
    文中有兩點訴說
    1.重力矩只能加在水平軸和垂直軸上.....
    2.斯伯利系列羅經.....加一重量[正西側]
    這兩個說法....
    是否可幫忙解疑?
    手邊還有一本較完整相關電子書
    是說要在馬達殼[偏西]加一重量減幅擺動
    .........真是霧煞煞!
    可否留em小弟寄去
    請Bridan大大解疑?感恩

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  16. 小樓您好,

    你所提供的資料,我會仔細推敲,關於e-mail,請您先加入研發養成所線上論壇
    http://groups.google.com.tw/group/4rdp?hl=zh-TW,我會回覆電郵。

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  17. Bridan大大
    已加入
    有用em寄一份資料
    有收到?

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  18. 小樓您好,

    並未收到您的電郵,猜想那電子書檔案很大,建議你將檔案上傳至研發養成所線上論壇,這樣我一定可以收到。

    另外,發現您提供網頁資料有前後矛盾地方,如 斯伯利系列採用液體連通器
    http://ftp.coscoqmc.com.cn/Nclass/hhx/class/YIQI/gyrotheory/gyro1_3.htm 有點怪怪的,難怪大家讀了搞不清楚。


    謝謝

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